人民邮电出版社优秀图书：变压器与电感器设计方法及应用实例
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如何在开关电源设计中选择最合适的高功率电感的磁芯
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时间： 15:08:52&&&&&&来源：中电网
Magnetics美国磁性材料公司究竟是磁粉芯好，还是铁粉芯好？相信是许多工程师在进行开关方案的设计中经常碰到的疑问。在高功率的磁芯选择问题上，磁芯、粉芯、铁硅铝以及铁氧体中的选择和比较是工程师经常探讨的问题。市场上高功率的磁芯选择还是挺多的，可供选择的材料有：铁硅铝（Kool M&）、铁粉芯、铁硅（硅钢叠片）、间隙铁氧体、钼坡莫（MPP）和高磁通 (High Flux)等。那么他们究竟有什么特性适合怎么样的应用呢？比较铁硅铝与间隙铁氧体铁硅铝和间隙铁氧体是两种常用的材质，在软饱和方面，间隙铁氧体必须在下降曲线的安全区进行设计。铁硅铝 (Kool M&)被设计在受控制的下降曲线范围中，这样就能够提供好的容错特性，特别是在高功率时候。在磁通量比较方面，假设特定的50％下降设计点，铁硅铝(Kool M&)的磁通量是间隙铁氧体的2倍以上, 这使磁芯的尺寸可缩小35％，设计时可以把磁芯的尺寸缩小30%至35%。软饱和曲线使铁硅铝 (Kool M&)设计本身具有容错能力，而间隙铁氧体则没有。铁氧体磁能力随温度变化，而铁硅铝 (Kool M&)保持相对稳定。很多铁氧体供应商或者厂家会给出产品在25℃到100℃不同环境下材质的差异。由于铁硅铝的材质及结构和间隙铁氧体不同，随着温度改变，变化不会很大。在边缘损耗方面，铁硅铝 (Kool M&)不会发生边缘损耗，而间隙铁氧体有很大的边缘损耗。铁芯的间隙部分随着温度的增加损耗会增加。铁硅铝(Kool M&)也有间隙，但是这是均匀的分布式间隙，因为这个形式，在高功率的应用上会更好。对于尺寸和储能，从铁硅铝(Kool M&)与锰锌铁氧体在LI2值比较中可以看出，当尺寸都是55mm的大小，测试铁硅铝用60&，铁硅铝(Kool M&)在体积大小的情况下，储能大概是锰锌铁氧体的2倍多，如表1所示。而当储能是一样的时候，LI2值一样，铁硅铝(Kool M&)体积缩小了很多，对于设计者来说，这有效缩小了设计尺寸。如表2所示。
表1 铁硅铝 (Kool M&) 与锰锌铁氧体之LI2值的比较表2 铁硅铝 (Kool M&) 与锰锌铁氧体尺寸上之比较
间隙铁氧体也有很多优点，间隙铁氧体可以有很高的有效磁导率&eff，铁氧体可以在500 以上而铁硅铝 (Kool M&) 目前受限于 &eff = 125。间隙铁氧体使用在一些低功率的设计时更为适合。间隙铁氧体系数的公差值较低，如果工艺好的话，多数的铁氧体系数的公差值为 ±3，而铁硅铝 (Kool M&) 为 ± 12% 。间隙铁氧体有较多种类的形状，有Pot Cores、EFD&s、PQ&s等等，而铁硅铝 (Kool M&)形状目前受限于 E-Core、U-Core & Blocks。铁硅铝与铁粉芯除了承受直流偏置外，开关稳压器还有一定交流电，通常在10kHz至300kHz。这种交流电流会产生高频磁场，造成磁芯损耗并导致磁芯变热。这种情况在铁硅铝(Kool M&)中会减少，因此更有效率，温度更低。铁硅铝(Kool M&) 的磁芯损耗低于铁粉芯。关于接近零的磁致伸缩问题，铁硅铝(Kool M&)非常适用于消除滤波中的音频噪音。铁硅铝(Kool M&)在制造时没有使用有机粘结剂，因此，没有任何热老化的问题。所有铁硅铝(Kool M&)磁芯都能在200 ℃下连续操作，相对的，铁粉芯有磁致伸缩。铁硅铝与硅铁大型器中也会使用特级的硅铁叠片，通常是块状或条状。硅铁的优势在于饱和磁通密度较高。铁硅铝 (Kool M&)形状（E、U、I型的磁芯）也可以经过适当的构造应用于大型器。虽然硅铁有较高的饱和磁通密度，但铁硅铝 (Kool M&)具备更多优点，例如较好的软饱和度、很低的磁芯损耗、温度稳定性和较低的成本。图1为各种大型铁硅铝器件。图1 为各种大型铁硅铝器件硅铁块具有离散间隙，与铁硅铝(Kool M&)的分步式间隙不同，因此随着电流增加，饱和出现要快的多。铁硅铝(Kool M&) 可利用饱和曲线的优点，设计出较小的器。硅钢装配件中所用的环氧树脂中一般不能像铁硅铝(Kool M&)在200 ℃操作。铁硅铝(Kool M&)成本低于同等大小的硅钢块。在铁损的部分，铁硅铝 (Kool M&)的磁芯损耗远低于硅钢叠片。用20&铁硅铝和硅铁相比较，在10kHz和50kHz的频率情况下，硅铁的磁损更厉害。铁硅铝的特点和应用铁硅铝(Kool M&)是什么呢？简单来说，它是由铝-硅-铁组成，它拥有相当高的Bmax(1050mT)，它的磁芯损耗远低于铁粉芯及高磁通，有低磁致伸缩（低噪音），是低成本的储能材料，无热老化，可以用于替代铁粉芯，在高温下性能非常稳定。总结一下铁硅铝的特点：适当的成本，优于钼坡莫合金/高磁通以及复合合金；较低的损耗，优于铁粉芯；高饱和度，优于间隙铁氧体；接近零的磁致伸缩，优于铁粉芯；无热老化现象，优于铁粉芯；软饱和，优于间隙铁氧体及复合合金。铁硅铝(Kool M&)有六种磁导率（26μ、40&、60&、75&、90&和125&）和三种形状 Toroids、 E core、 U core & Blocks。铁硅铝应用包括功率因数校正扼流圈，升压/降压稳压器，直流输出器和回扫变压器。大型铁硅铝 Kool M&&应用在高电流 (功率)器、太阳能转换、UPS 不断电系统、混合动力汽车、风能转换和其他高电流应用。除了大型铁硅铝，如图1所示还有一些平版型的铁硅铝。平版型的铁硅铝器件如图2所示。图2 平版型铁硅铝平版型的铁硅铝有两种选择，有传统的方型和圆形。如图3所示。图3 方型和圆形的铁硅铝相对方型的，圆形的有诸多优点，比如缩小整个器因绕制而增加的体积，在相同的匝数下减少绕线线长的使用，最小化的DCR (直流电阻），降低铜损，降低使用铜导线上的成本和整个器的绕制成本。铁硅铝Kool M& (平板形) 的特点有应用于高电流的设计、漏磁减少至非常低、较佳的直流偏置特性、良好的散热效果和温度稳定性、具存储能量的高性能、可直接安装在PCB上。铁硅铝Kool Mμ( 平板形) 的应用有在DC / DC转换器、大电流扼流圈、电脑中的中央处理器圈。综上所述，在磁芯的选择上，要着重注意四个问题：第一，选择合适的，铁硅铝（Kool M&）、钼坡莫合金、高磁通、铁硅合金或铁氧体，第二，选择合适的磁芯尺寸，包括形状和大小；第三，选择时要注意绕制上的考量，比如电流密度、绕线的长短和匝数；第四点，选择时要兼顾性能和成本。更多详细内容，敬请浏览：/090217/tindex.asp问答选编问：铁硅铝磁芯适用的频率范围为多少？答：铁硅铝磁芯的应用频率可以高达20MHz的频率，但通常人们会使用约100kHz至500kHz的频率在他们的设计中。问：铁硅铝的形状是否可以按照客户的要求定制？ 答：可以定制，但是具体尺寸是否真正能够提供要看具体需求。问：铁硅铝在噪声抑制方面有什么优越性吗？答：相对于铁粉芯，铁硅铝减少了高频应用时的噪声，拥有很低的磁致伸缩。问：铁硅铝的最大工作和储存温度为多少？答：由于涂层的关系，铁硅铝的最高温度为200℃，而磁芯本身可以高达500℃的温度。问：现在有哪些比较好的针对性能测试的工具或者手段？答：LCR仪表（HP4284）可以为您提供非常精确的测量。磁芯损耗仪表（Yokogawa）可以提供很准确的核心损耗测量。问：从目前来看哪类磁芯较有发展前景？答：这取决于你需要什么样的额定功率，对于低功率应用，铁氧体磁芯会比较适合，而在高功率应用上，铁粉磁芯和非晶磁芯将会比较适合。问：除了在材料选择，还应该在哪些方面进行成本控制？答：材料决定特点和性能，而成本取决于材料。问：较大的直流偏场下，要保证值的最小直流漂移可选择哪种磁芯？答：非晶磁芯。问：同等功率的变压器设计中，铁硅铝与铁氧体相比，成本和体积上有何优势？答：成本由材料决定，铁硅铝相对于气隙铁氧体大小可以减少约30％~35％。在线座谈（Online Seminar）是中电网于2000年推出的创新服务，通过“视频演示＋专家解说＋在线问答”三位一体相结合的形式，充分发挥网络平台的便捷性，实现了先进半导体技术提供商与系统设计工程师的实时互动交流，其形式和内容都广受电子行业工程师的好评。本刊每期将挑选一些精华内容整理成文，以飨读者。欲了解更多、更详细的内容，敬请登录。GEC
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资料介绍变压器与电感器设计手册(第三版)作者：(美)麦克莱曼&龚绍文/(美)Colonel&Wm.&T.&Mclyman出版社：中国电力出版社出版日期：2008内容简介修订和扩展的目的在于展示磁器件设计领域当前的技术水平，此第三版给出了变压器和电感器设计的实际方法――通过一步一步进行的设计实例，提供出有关磁性材料和磁心特性的完整信息。与此同时，此书也覆盖了诸如面积积Ap和磁心几何常数Kg等基本内容。&&&&此书涉及了用于轻质量、高频率航空航天变压器和低频率、工业用变压器设计的全部关键元器件。&&&&为帮助工程师们开发出有效、经济和最优的系统设计，这本面向他(她)们的第三版提供了静音变换器设计、旋转变压器设计、平面变压器设计原则和平面变压器结构等新的内容。这些内容包含了大量对电子技术和航空航天工业工程师们而言非常重要的设计程序。书中给出了许多以表格形式的设计资料，以帮助工程师们对自己的应用个案作最合适的折中选择。此书也包含了磁器件设计的理论及所有相关公式。目录译者的话序前言感谢关于作者符号第1章&磁学基础第2章&磁性材料及其特性第3章&磁心第4章&窗口的利用、励磁导线和绝缘第5章&变压器的设计折中第6章&变压器-电感器的效率、调整率和温升第7章&功率变压器设计第8章&用开气隙的磁心设计直流（DC）电感器第9章&采用粉末磁心的直流（DC）电感器设计第10章&交流（AC）电感器的设计第11章&恒压变压器（CVT）第12章&三相变压器设计第13章&反激变换器及其变压器设计第14章&正激变换器及其变压器和输出电感器设计第15章&输入滤波器设计第16章&电流变压器设计第17章&绕组电容和漏感第18章&静音变换器设计第19章&旋转式变压器设计第20章&平面变压器第21章&设计公式的推导索引
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